基于全流程分析的中国煤制氢耦合CCUS技术碳足迹评估

氢能的来源具有多样性，其中可再生能源电解水制氢被认为是较为理想的制氢方式，从长期来看其将是氢能的主要来源。但受技术成熟度、制氢成本等诸多因素的影响，目前化石能源制氢仍是全球主流的制氢方式，约占全球氢能来源的95%以上。

中国是氢气生产和消费大国，同时也是煤炭生产和消费大国，在氢能发展的初期和中期阶段仍需依赖煤制氢技术满足氢气需求。现阶段，相较于其他制氢技术，煤制氢技术具有明显的成本优势，但其缺点在于会产生大量CO₂排放。已有研究表明，煤制氢技术的碳足迹远高于天然气制氢、生物质制氢、光伏/风力发电制氢（电解水）及核能/热化学制氢等主要制氢技术。为兼顾氢能供应和碳中和目标的实现，中国需发展低碳煤制氢技术，目前碳捕集利用与封存（CCUS）技术是实现低碳煤制氢的重要

手段。

然而，CCUS技术会引起额外能耗，增加 CO2排放，其净减排效果无法根据 CO2捕集率直接衡量。因此，定量化评估 CCUS技术在降低煤制氢碳足迹方面的作用具有十分重要的现实意义。

本文所探讨的煤制氢耦合CCUS技术主要涵盖煤炭开采及洗选①、煤炭运输、煤制氢气、CO₂ 捕集、CO₂ 运输、CO₂封存②等技术环节。需要说明的是，上述过程中产生的非CO₂温室气体以及由煤炭自燃所引起的碳排放在本文中均不予考虑。综上，煤制氢耦合CCUS技术的碳足迹核算边界如图1所示。

图1 煤制氢耦合CCUS技术全流程能源相关

碳足迹评价系统边界

鉴于煤气化可能成为我国煤制氢工艺的重要途径，故本文假设制氢技术路线为煤气化制氢。从技术原理来看，煤气化制氢是煤粉、煤浆或煤焦与气化剂在高温下进行部分氧化反应，生成 H₂与一氧化碳（CO）的合成气，再经过变换、低温甲醇洗工艺、氢气提纯等工序，得到高纯度产品氢气的工艺过程，其工艺流程如图2所示。

图2 煤制氢耦合CCUS技术工艺流程示意图

煤制氢耦合CCUS 技术碳足迹评估涉及的主要技术环节的数据处理过程包括：

（1）煤炭开采及洗选；（2）煤炭运输；（3）煤制氢；（4）CO₂捕集、运输与封存。

3.1 煤制氢（耦合 CCUS技术）全流程碳足迹

由于煤制氢耦合CCUS技术各环节的部分参数具有不确定性，故煤制氢耦合CCUS技术的碳足迹也具有不确定性。如图3所示，从全流程来看，若不考虑CCUS技术，煤制氢技术的碳足迹为 17.47～29.78 kg CO₂/kg H2。若在煤制氢过程基础上结合 CCUS技术，其全流程的碳足迹约为 2.17～8.91 kg CO₂/kg H2，具有较大的波动范围。煤制氢能源转换效率对于煤制氢碳足迹的影响较大，当应用CCUS技术时，CO₂运输距离也会在一定程度上影响整体的碳足迹。

图3 煤制氢及煤制氢耦合CCUS技术全流程碳足迹

为便于分析煤制氢（耦合CCUS 技术）各环节的碳足迹构成，本文对部分不确定性参数进行了处理。煤制氢能源转化效率取均值，即59. 5%，这与当前主流煤制氢工艺（冷煤气制氢）的产氢效率（不到60%）是基本吻合的。参考中国已建成投产的CCUS示范项目，CO₂运输距离基本未超过100 km，故此处假定CO₂运输距离为100 km。基于上述假设，煤制氢（耦合CCUS技术）的碳足迹构成如图4所示。

图4 煤制氢技术全流程碳足迹构成（图（a）不考虑CCUS技术；图（b）考虑CCUS技术）

从全流程来看，煤制氢与CCUS技术结合后整体碳足迹可由22. 02 kgCO₂/kg H₂降低至4.27 kg CO₂/kg H₂（图 4(b)），减排幅度约为 80. 6%，低于制氢环节 90% 的CO₂捕集率。这主要是由于CCUS 技术仅能够从煤制氢环节捕集 CO₂，降低煤制氢环节的碳足迹，但无法降低其他环节的碳足迹，且使用CCUS技术需消耗额外的能源并造成额外的碳足迹。

3.2 敏感性分析

煤制氢耦合CCUS技术过程涉及众多技术环节，其全流程碳足迹亦会受到多重不确定因素的影响。根据上述计算结果，本文选取煤炭品质（主要考虑煤炭的平均低位热值和含碳量）、煤制氢能源转化效率及CO₂运输距离等变量进行敏感性分析，以评估其取值变化对煤制氢碳足迹的影响。此外，需要说明的是，平均低位热值较低的煤炭一般不宜用于制氢。参考已有研究，此处仅考虑平均低位热值不低于 20 MJ/kg 的煤样。按此标准，上述602组煤样中共有353组煤样符合要求。

能源转化效率的提升对于煤制氢碳足迹的降低具有显著的正向效益。然而，随着能源转化效率的提高，单位能源转化效率提升所带来的碳足迹降低收益呈现下降趋势。当煤制氢能源转化效率达到60%时，能源转化效率每提高1个百分点，平均碳足迹可下降约 1. 3%～1. 5%。

随着CO₂运输距离的增加，煤制氢+CCUS的碳足迹将呈现上升趋势。因此，为有效降低煤制氢+CCUS技术的碳足迹，需选择适宜的CO₂封存场地，合理控制CO₂运输距离。

鉴于我国“富煤、贪油、少气”的资源禀赋，煤制氢在我国氢能发展的初期及中期将扮演重要角色。但发展氢能的初衷在于实现能源结构的低碳化转型，因此降低碳足迹将是低碳发展趋势下煤制氢前景的关键因素。从全流程碳足迹评估结果来看，煤制氢技术的碳足迹偏高，约为17.47～29.78 kg CO₂/kg H2。采用CCUS技术捕集制氢环节90%的CO2排放后，煤制氢+CCUS 的全流程碳足迹可降至 2.17～8.91 kg CO2/kg H₂。影响煤制氢碳足迹的主要因素包括煤制氢能源转化效率以及采用 CCUS 技术时引起的额外能耗。

煤制氢碳足迹具有较高的不确定性，对各技术环节涉及的相关不确定性参数进行处理后可以发现，我国煤制氢平均碳足迹约为22.02kg CO₂/kg H₂（ 不考虑CCUS技术），高出 IEA 评估结果约10.1%。CCUS 技术能够捕集制氢环节约90%的碳排放，但CCUS技术自身也会增加能耗及相应的碳足迹，CCUS 技术引起的额外碳足迹约为1.66 kg CO₂/kg H₂。因此，从全流程看，CCUS技术对于煤制氢碳足迹的减排幅度约为80.6%。从各技术环节的碳足迹贡献来看，制氢环节是最主要的碳排放来源。此外，煤炭开采环节产生的CH₄排放也会导致煤制氢碳足迹的显著增加，增量约为3.24 kg CO₂/kg H₂。

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